CN112072984A - 一种基于碳化硅器件的永磁同步电机控制*** - Google Patents

一种基于碳化硅器件的永磁同步电机控制*** Download PDF

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Abstract

本发明设置一种基于碳化硅器件的永磁同步电机控制***，包括辅助电源、整流滤波电路、逆变电路和控制电路；整流滤波电路外接380V直流电压源，整流滤波电路与逆变电路连接，辅助电源分别连接整流滤波电路和控制电路，逆变电路与永磁同步电机连接；控制电路包括DSP数字处理模块，DSP数字处理模块连接驱动电路、母线电压检测与保护模块、电流检测与过流保护模块、电机位置检测模块和人机交互模块；母线电压检测与保护模块连接在整流滤波电路和逆变电路之间，电流检测与过流保护模块连接在逆变电路和永磁同步电机之间；逆变电路由三组SiC MOSFET构成全桥逆变电路。本发明结构简单，高效可靠，优化控制***整体效率、功率密度以及动态性能。

Description

一种基于碳化硅器件的永磁同步电机控制***
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种基于碳化硅器件的永磁同步电机控制***。
背景技术
永磁同步电机由于其具有结构紧凑、效率高、调速性能好等优点被广泛应用于电动汽车、航空、航天、电力牵引、家电等领域。随着电力电子技术的发展，这些应用领域对永磁同步电机控制***提出了更高的要求，希望其具有更高的效率、更高的功率密度以及更高的可靠性。永磁同步电机控制***主要包括电机驱动器和电机控制器，其性能的提升也主要依靠电机驱动器材料技术的提升和电机控制器控制策略的提升。
但是目前基于传统硅功率器件的电机控制***由于硅材料本身的限制已接近其极限，导致控制策略对其性能提升并不理想。
因此，研究一种高效的控制方法，进一步提高PMSM控制***的性能是目前研究的重点和热点。
发明内容
鉴于上述现有控制策略的缺点，本发明的目的是提供一种基于碳化硅器件的永磁同步电机控制***，该***采用碳化硅器件代替传统的硅功率器件，结合控制策略的改进提高永磁同步电机控制***的效率、功率密度以及动态性能。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于碳化硅器件的永磁同步电机控制***，包括辅助电源、整流滤波电路、逆变电路和控制电路；所述整流滤波电路外接380V直流电压源，整流滤波电路与逆变电路连接，所述辅助电源分别连接整流滤波电路和控制电路，所述逆变电路与永磁同步电机连接；
所述控制电路包括DSP数字处理模块，DSP数字处理模块连接驱动电路、母线电压检测与保护模块、电流检测与过流保护模块、电机位置检测模块和人机交互模块；
所述母线电压检测与保护模块连接在整流滤波电路和逆变电路之间，所述电流检测与过流保护模块连接在逆变电路和永磁同步电机之间；
所述逆变电路由三组SiC MOSFET构成全桥逆变电路。
进一步的，所述DSP数字处理模块为DSP28335芯片。
进一步的，所述驱动电路包括IED020I12驱动芯片。
进一步的，所述母线电压检测与保护模块包括与微控制器连接的第二信号处理电路和电压霍尔传感器CHVS-AS3.3。
进一步的，所述电流检测与过流保护模块108包括与微控制器连接的第一信号处理电路203和电流霍尔传感器CHVS-LTSH3.3。
进一步的，所述第一信号处理电路和第二信号处理电路均包括TMS320F28335数据处理芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明结构简单，高效可靠，集电机转速控制、转矩调节和过流过压保护于一体，通过SiC MOSFET与控制算法的结合抑制桥臂串扰振荡的电压幅值，提高驱动***的安全性与稳定性，同时优化控制***整体效率、功率密度以及动态性能。
附图说明
图1为本发明的永磁同步电机控制***电路原理图；
图2为本发明的电流与电压检测部分的电路原理图；
图3为本发明的永磁同步电机控制***结构框图；
图4为本发明的永磁同步电机控制***硬件原理框图。
图中，101、380V直流电压源；102、整流滤波电路；103、逆变电路；104、永磁同步电机；105、辅助电源；106、母线电压检测与保护模块；107、驱动电路；108、电流检测与过流保护模块；109、人机交互模块；110、DSP28335芯片；111、电机位置检测模块；
201、电流霍尔传感器CHVS-LTSH3.3；202、电压霍尔传感器CHVS-AS3.3；203、第一信号处理电路；204、第二信号处理电路；205、微控制器。
401、直流电源模块；402、DSP处理芯片；403、用于人机交互的以太网接口；404、三相电流传感器；405、ADC模数转换模块；406、PWM调制模块；407、码盘接口；408、直流电源模块；409、过电压与过电流保护电路；410、SIC功率器件驱动电路；411、SIC逆变模块；412、电机状态解码芯片；413、414、主控制板；415、电机驱动板。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中,很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而,本领域技术人员可以毫不费力的认识到,其中部分特征在不同情况下是可以省略的,或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下,本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述,这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没,而对于本领域技术人员而言,详细描述这些相关操作并不是必要的,他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
参见图1所示的一种基于碳化硅器件的永磁同步电机控制***，包括辅助电源105、整流滤波电路102、逆变电路103和控制电路；整流滤波电路102外接380V直流电压源101，整流滤波电路102与逆变电路103连接，辅助电源105分别连接整流滤波电路102和控制电路，逆变电路103与永磁同步电机104连接；
控制电路包括DSP数字处理模块，DSP数字处理模块连接驱动电路107、母线电压检测与保护模块106、电流检测与过流保护模块108、电机位置检测模块111和人机交互模块109；
母线电压检测与保护模块106连接在整流滤波电路102和逆变电路103之间，电流检测与过流保护模块108连接在逆变电路103和永磁同步电机104之间；
逆变电路103由三组SiC MOSFET构成全桥逆变电路。DSP数字处理模块为DSP28335芯片110。驱动电路包括IED020I12驱动芯片。
参见图2，母线电压检测与保护模块106包括与微控制器205连接的第二信号处理电路204和电压霍尔传感器CHVS-AS3.3202。电流检测与过流保护模块108包括与微控制器205连接的第一信号处理电路203和电流霍尔传感器CHVS-LTSH3.3201。第一信号处理电路203和第二信号处理电路204均包括TMS320F28335数据处理芯片。
母线电压检测与保护模块106、电流检测与过流保护模块108和电机位置检测模块111采集三相电流、母线电压及电机位置数据，并通过模糊PI控制调节逆变电路，采用负压关断提高碳化硅开通阈值、利用吸收电容和有源钳位电路抑制串扰振荡幅值，通过上述措施消除串扰对桥臂的影响，提高变换器的安全性。
控制电路用转速闭环和电流闭环结合的反馈调节，采用一种基于模糊控制的PI调节器改进控制***的动态性能。
其具体执行过程如下：
1.电流霍尔传感器CHVS-LTSH3.3201和电压霍尔传感器CHVS-AS3.3202采集三相电流与母线电压信号，经TMS320F28335数据处理芯片转化为对应数字信号。
2.微控制器205将采集到的三相电流经克拉克变化，转换为两相静止坐标系下的电压信号；同时根据母线电压与电流信号判断过电压保护是否动作。
3.克拉克变化得到静止坐标系下两相电流经帕克变换转化为交直轴动态坐标系下的两相电流。
4.在交直轴动态坐标系下，直轴和交轴电压参考值可以等效于两轴电流的参考值，因此不需要对电压信号进行同样的变换。
5.以电机位置传感器及转速估算器，计算电机实际转速，同时传递至DSP28335芯片110。
6.比较给定转速与码盘接口获得的电机实时转速，以二者差值为依据，经转速环模糊PI调节器输出交轴电流信号。实际交轴电流与该信号做差，实际直轴电流则直接与零值做差，以差值为依据，由电流环PI调节器输出并经过帕克逆变换两轴电压信号至逆变器驱动电路107。
7.驱动电路107包含IED020I12驱动芯片，根据参考电压信号采用改进两电平矢量调制技术，分别输出控制上下桥臂导通与关断的脉冲信号。
8.逆变电路103为三组SiC MOSFET构成的全桥逆变电路，上下桥臂本别接受驱动电路产生的控制脉冲，产生三相交流电源对永磁同步电机进行控制。
参见图3和图4，在本发明的一个实施例中，包含主控板414、驱动板415以及为二者提高电机状态参数的电流传感器404和旋转变压器413。
本实例中，所述主控板包括第一电源模块401、DSP主控芯片402、以太网接口403、ADC模数转化模块405、PWM调制模块406以及码盘接口407。其中第一电源模块401块负责主控制板的低压直流供电；ADC模数转换模块将电流传感器信号转换为数字信号，供主控制器进行驱动信号的计算；码盘接口接受电机位置信号，用于电机状态检测与转速控制；PWM模块将主控制板输出的电压指令转换为控制脉冲。
本实例中，所述驱动板415包含第二电源模块408、保护电路409、逆变器驱动电路410以及SIC功率器件逆变模块411。
本实例中，所述逆变器驱动电路410依据PWM脉冲分别产生上下桥臂控制信号，控制SIC功率模块各器件的导通和关断，同时负责过电压保护动作。
本实例中，所述SIC功率器件逆变模块411由三组SIC MOS管组成全桥逆变电路，产生等效于参考电压的三相交流电，对永磁同步电机工作状态进行控制和调节。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明,并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想,还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (6)

1.一种基于碳化硅器件的永磁同步电机控制***，其特征在于，包括辅助电源(105)、整流滤波电路(102)、逆变电路(103)和控制电路；所述整流滤波电路(102)外接380V直流电压源(101)，整流滤波电路(102)与逆变电路(103)连接，所述辅助电源(105)分别连接整流滤波电路(102)和控制电路，所述逆变电路(103)与永磁同步电机(104)连接；
所述控制电路包括DSP数字处理模块，DSP数字处理模块连接驱动电路(107)、母线电压检测与保护模块(106)、电流检测与过流保护模块(108)、电机位置检测模块(111)和人机交互模块(109)；
所述母线电压检测与保护模块(106)连接在整流滤波电路(102)和逆变电路(103)之间，所述电流检测与过流保护模块(108)连接在逆变电路(103)和永磁同步电机(104)之间；
所述逆变电路(103)由三组SiC MOSFET构成全桥逆变电路。
2.根据权利要求1所述基于碳化硅器件的永磁同步电机控制***，其特征在于，所述DSP数字处理模块为DSP28335芯片(110)。
3.根据权利要求1或2所述基于碳化硅器件的永磁同步电机控制***，其特征在于，所述驱动电路包括IED020I12驱动芯片。
4.根据权利要求3所述基于碳化硅器件的永磁同步电机控制***，其特征在于，所述母线电压检测与保护模块(106)包括与微控制器(205)连接的第二信号处理电路(204)和电压霍尔传感器CHVS-AS3.3(202)。
5.根据权利要求4所述基于碳化硅器件的永磁同步电机控制***，其特征在于，所述电流检测与过流保护模块108包括与微控制器(205)连接的第一信号处理电路203和电流霍尔传感器CHVS-LTSH3.3(201)。
6.根据权利要求5所述基于碳化硅器件的永磁同步电机控制***，其特征在于，所述第一信号处理电路(203)和第二信号处理电路(204)均包括TMS320F28335数据处理芯片。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201211

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